(57)【要約】【課題】  読み出し照射光の角度依存性がなく、回折効率１００％も可能な、ホログラムの書き込みおよび読み出し方法を提供する。【解決手段】  メソゲンを含有する高分子薄膜に、メソゲンが吸収する波長を有し、円もしくは楕円偏光からなり、かつ回転方向が同方向の２光束である干渉光（すなわち、左まわりと左まわり、または右回りと右まわり）を照射して、その干渉パターンに対応した屈折率変化を書き込み、ついでメソゲンを吸収しない波長を有する光を照射して干渉パターンに対応する回折光を読み出すことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メソゲンを含有する高分子薄膜に、メソゲンが吸収する波長を有し、円もしくは楕円偏光からなり、かつ回転方向が同方向の２光束である干渉光を照射して、その干渉パターンに対応した屈折率変化を書き込み、ついでメソゲンを吸収しない波長を有する光を照射して干渉パターンに対応する回折光を読み出すことを特徴とするホログラムの書き込みおよび読み出し方法。
【請求項２】
メソゲンを含有する高分子が、アゾベンゼン、ビフェニル、ターフェニル、フェニルベンゾエートもしくはトラン基を有する請求項１記載のホログラムの書き込みおよび読み出し方法。
【請求項３】
メソゲンを含有する高分子がアゾベンゼン基を有する請求項１もしくは２記載のホログラムの書き込みおよび読み出し方法。
【請求項４】
メソゲンを吸収しない波長を有する光が偏光もしくは非偏光である請求項１〜３のいずれか記載のホログラムの書き込みおよび読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラムの書き込みおよび読み出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光吸収によって体積もしくは屈折率が変化する材料（膜）に２光束の偏光（材料が吸収する波長）がなす干渉光を照射すると、干渉パターンに対応する体積変化もしくは屈折率変化が材料中に生じる（回折格子；情報の書き込み）。これに別の波長の光を照射すると、干渉パターンに対応する回折光が得られる（情報の読み出し）。この読み出し照射光に対する回折光強度の割合（すなわち回折効率η）は、このようなホログラムの鮮明さを示す指標として用いられている。
【０００３】
回折には、以下の２つのタイプがあり、それぞれの場合に得られる回折効率の理論最大値が決まっている。しかし、実際には内部吸収や不十分な光の回折のために以下に挙げる数字は得られない。２つの回折のいずれになるかはＱパラメーター（＝２πλｄ／ｎΛ2；ここで、λは読み出し照射光の波長、ｄは膜の厚み、ｎは材料の平均屈折率、Λは格子周期である。）の大きさに依存する。
【０００４】
使用する記録材料により、ホログラムは厚いホログラム（ブラッグ回折）と薄いホログラム（ラマン−ナス回折）に分類される。一般に、Ｑ＞１０の場合にはブラッグ回折、Ｑ＜１の場合にはラマン−ナス回折が起こるといわれている。ブラッグ回折においては、読み出し光を斜めに入射し、対称の角度から光を得る。理論的には１００％の回折効率が得られるが、回折効率は読み出し光入射角度に大きく依存する。一方、ラマン−ナス回折においては、薄膜に読み出し光を入射すると複数の回折光が発生するが、理論的には最大値３３．９％である。しかし、書き込みに右まわり＋左まわり円偏光、そして読み出し光に円偏光を用いた場合、＋１次と−１次の回折光強度が非対称的に変化することにより回折効率が約７６〜８０％にまで達することが報告されている（非特許文献１および２）。
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，１９９６,３８３,５０５
【非特許文献２】Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２１，４７３８−４７４３（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は読み出し照射光の角度依存性がなく、回折効率１００％も可能な、ホログラムの書き込みおよび読み出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、メソゲンを含有する高分子薄膜に、メソゲンが吸収する波長を有し、円もしくは楕円偏光からなり、かつ回転方向が同方向の２光束である干渉光を照射して、その干渉パターンに対応した屈折率変化を書き込み、ついでメソゲンを吸収しない波長を有する光を照射して干渉パターンに対応する回折光を読み出すことを特徴とするホログラムの書き込みおよび読み出し方法により達成されうる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明方法によれば、たとえばホログラムメモリーとしてＣＤやＤＶＤに利用する場合に、回折効率が記録材料に対する読み出し光の角度に依存しないので振動に強い読み出し方法が得られる。従来よりも１〜２桁薄い膜で１００％の回折効率が可能であるので、記録材料のコストを著しく低下し得、さらに光学的特性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のホログラムの書き込みおよび読み出し方法においては、メソゲンを含有する高分子薄膜に、メソゲンが吸収する波長を有し、円もしくは楕円偏光からなり、かつ回転方向が同方向の２光束である干渉光を照射して、その干渉パターンに対応した屈折率変化を書き込み、ついでメソゲンを吸収しない波長を有する光を照射して干渉パターンに対応する回折光を読み出す。メソゲンを含有する高分子としては、特に制限されず液晶分野で知られているものが使用されうるが、アゾベンゼン、ビフェニル、ターフェニル、フェニルベンゾエート、トラン等の置換基を有するものが好適であり、最も好適にはアゾベンゼン基を有するものが選ばれる。このメソゲンを含有する高分子薄膜の膜厚は通常０．５〜５０μｍ、好適には１〜１０μｍ程度から選ばれるがこれらに制限されない。
【００１０】
本発明方法においては、メソゲンが吸収する波長を有し、円もしくは楕円偏光からなり、かつ回転方向が同方向の２光束である干渉光を照射して、その干渉パターンに対応した屈折率変化を書き込むことが必要である。すなわち、この円もしくは楕円偏光は、左まわりと左まわり、または右回りと右まわり、の２光束の、円もしくは楕円偏光である。円もしくは楕円偏光を得るためには、直線偏光を偏光面と４５°をなす1/4波長板に通した光を用いるが、この１/４波長板と直線偏光のなす角度が４５°の場合が円偏光であり、０°より大きく４５°未満の場合が楕円偏光となるが、回折効率の点から円偏光が最も好適であるが、比較的４５°に近い場合の楕円偏光も好適である。
【００１１】
一方、上記の干渉パターンに対応する回折光を読み出すために照射する、メソゲンを吸収しない波長を有する光は、偏光もしくは非偏光のいずれでもよく、偏光は円、楕円、もしくは直線（ｓ−およびｐ−）を含む。
【００１２】
本発明方法において、読み出し光が円偏光の場合には、１次回折光は実質的に片側にのみ現われ、回折効率は１００％となりうる。どちら側の１次回折光が現われ（または消失するか）は、書き込み光に用いた光と回転方向が同一方向の円偏光か反対方向の円偏光かにより決定されうる。読み出し光が直線偏光もしくは非偏光の場合には、対称に両側に現われ、それぞれ５０％となりうる。この場合、読み出し情報の正確さを増すために両方を比較することもできる。
【００１３】
本発明方法によれば、読み出し方向の薄膜に対する角度依存性がないので、どの方向からも高回折効率、たとえば１００％の回折光が得られ、実用性が高い。２光束の書き込み光の相対角度（格子周期を決定する）を一定にしたときの書き込み光の薄膜に対する角度（図６(a)のα）も基本的に回折効率を変化させない。
【００１４】
いったん書き込んだものにメソゲンが吸収する波長の光を１光束照射すると回折効率＝０となり、書き込み・消去を繰り返し行なうことができる。この消去に要する光量は、書き込みに用いた円または楕円偏光と逆の回転方向の円偏光を用いた場合に最も少ない。メソゲンが吸収する光を照射しない限り、薄膜が液晶相を示す温度で情報を長期間保存しうる。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
実施例１
（１）薄膜に用いたアゾベンゼン高分子液晶（ＰＭ６ＡＢ２）試料の構造式を示す。
【００１６】
【化１】
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【００１７】
薄膜は、ラビング処理したポリイミド膜つきのガラス基板にバーコーターを用いて、ＰＭ６ＡＢ２溶液を塗布することにより得た。
【００１８】
（２）ホログラム形成に用いた光学系は図１に示すとおりである。図１において、Ｓは試料、Ｐは偏光板、ＧＰは偏光プリズム、ＱＷＰは１/４波長板、Ｍは鏡、ＢＳはビームスプリッター、そしてＤA〜ＤCは光検出器を示す。１/４波長板を用いてｓ−偏光から円偏光に変換した。変換した円偏光は偏光板を通して３６０°光強度が一定であることを確認した。また、ｓ−偏光を１/４波長板に対する角度を変えて入射し、右まわりもしくは左まわりの円偏光を得た。記録消去は、アルゴンイオンレーザーの光をビームスプリッターで分けた後、一方の光を遮断して１光束照射して行なった。
【００１９】
（３）書き込み光の光強度依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束（４８８ｎｍ）；光強度（a）４５０、（ｂ）６００、（ｃ）１０００、（ｄ）３５００ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光（６３３ｎｍ）
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
図２（a）〜（ｄ）（上記の光強度（a）〜（ｄ）に対応する）にその結果を示す。回折効率は照射光量（光強度×照射時間）に依存し、光強度に依存しないことがわかる。
【００２０】
（４）読み出し光による偏光依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
(ｉ)読み出し光として直線偏光を用いた場合
偏光板の偏光軸を回転させた結果を図３に示す。
【００２１】
＋３〜−３次回折光の強度割合は次のとおりであった。
【００２２】
（ｓ−偏光）
−３    −２    −１    ０    ＋１    ＋２    ＋３
回折効率 0.000017 0.21    43     11.7   42.5    0.28    0.000017
（p−偏光）
−３    −２    −１    ０    ＋１    ＋２    ＋３
回折効率 0.000017 0.2     45.1   12.3   39.2    0.21    0.000017
(ii)読み出し光として円偏光を用いた場合
１/４波長板の偏光軸を回転させた結果を図４（a）、（ｂ）に示す。
【００２３】
＋３〜−３次回折光の強度割合は次のとおりであった。
【００２４】
−３    −２    −１    ０    ＋１    ＋２    ＋３
回折効率 0.0001  0.0009   90.9   6.9   0.52   0.0004   0.0000069
（iii）読み出し光として非偏光を用いた場合
偏光板の偏光軸を回転させた結果を図３に示す。
【００２５】
＋３〜−３次回折光の強度割合は次のとおりであった。
【００２６】
−３    −２    −１    ０    ＋１    ＋２    ＋３
回折効率 0.000012 0.09    38.4    15.6   41.1    0.26    0.000017
読み出し光として直線偏光（ｓ−偏光もしくはｐ−偏光）または非偏光を用いると、＋１次回折光と−１次回折光は対称的であるが、円偏光を用いると、＋１次回折光と−１次回折光は非対称的であることがわかる。
【００２７】
（５）回折格子に対する読み出し光の角度依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
この条件におけるＱパラメーターを算出すると１．３であった。１＜Ｑ＜１０の場合、ラマン−ナス回折とブラック回折がともに起こる可能性がある。図５に読み出し光の角度と回折効率との関係を示す。ブラック回折に基づく回折効率とは異なり、得られた回折効率は格子に対する読み出し光の角度（図６（ｂ）のβ）にほとんど影響がなかった。さらに、回折格子が形成すると複数の回折光が観察されることからも、ラマン−ナス回折に基づく格子が形成されていると考えられる。
【００２８】
（６）格子周期依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：表１記載のとおり
【００２９】
【表１】
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【００３０】
種々の書き込み入射角度で回折格子を形成させたところ、書き込み光の入射角度７°（＝格子周期Λ＝２μｍ）のとき、得られる回折効率は最大の８９％に達した（図７（a）〜（ｇ））。
【００３１】
（７）書き込み時の温度依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：２μｍ
・測定温度：室温、５５、７５、８５、９５、１０５、１１５℃
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
測定結果を図２（a）（室温）および図８（a）〜(e)（５５〜１０５℃）に示す。書き込み光強度を増加させた場合と同様に、回折格子を書き込む温度を上昇させるに伴い回折効率が最大に達する時間が短くなった。１１５℃以上の温度で回折格子形成を試みた結果、得られる回折効率は１％程度であった。
【００３２】
（８）基板のラビング処理方向依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度６００ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
・ラビング方向：０、３０、４５、６０、９０°
膜を回転させて、書き込み光を照射した結果を図９に示す。ラビング方向を回転させても得られる回折効率に大きな変化はみられなかった。
【００３３】
（９）製膜時の基板/薄膜相互作用の緩和
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
書き込みに際して、膜はラビング処理した基板に製膜したもの、製膜後に１光束偏光照射（４８８ｎｍ、右まわり円偏光；光強度５００ｍW/ｃｍ2；１時間）処理したものを用いた。その結果を図１０（a）に示す（破線：製膜直後；実線：製膜後偏光照射）。
【００３４】
製膜直後の一軸配向した膜では、書き込み光照射初期に回折効率がいったん増加して、その後緩やかに減少した後に再度増加し、回折効率が最大に達するまでに約２０分間を要した。これに対して製膜後に円偏光を照射した薄膜では、書き込み光照射初期から回折効率が急激に増加し、約２分間で回折効率が最大に達した。これは、薄膜作製時に生じたラビング処理基板と薄膜内の基板近傍分子の相互作用効果が、アゾベンゼン基が吸収する波長の円偏光を照射したことで緩和され、基板近傍分子が動き易くなったことを示唆している。
【００３５】
（１０）１光束照射による消去の応答速度
書き込み光を照射する前に１光束で円偏光を照射（右まわり円偏光；光強度５００ｍW/ｃｍ2；照射時間１時間）した後に、次の条件で書き込み光を照射し、ついで右まわり円偏光もしくは左まわり円偏光で記録消去を行なった（光強度２２５ｍW/ｃｍ2；入射角度：７°）結果をそれぞれ図１１および図１２に示す。
【００３６】
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
・読み出し光：左まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
書き込み光と反対方向の円偏光による消去の方が応答速度が速かった。また、この回折格子消去は、書き込み光と同じ波長（４８８ｎｍ）の光であれば、１光束の直線偏光でも非偏光でも可能であった。直線偏光や非偏光では、円偏光照射以上の時間を消去に要した。
【００３７】
（１１）書き込み−消去スイッチング挙動
（ｉ）
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度２５００
ｍW/ｃｍ2
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
・読み出し光：左まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・記録消去：右まわり円偏光；光強度１２５０ｍW/ｃｍ2
測定結果を図１３(a)および（ｂ）に示す。
【００３８】
（ii）
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度３５００
ｍW/ｃｍ2
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
・読み出し光：左まわり円偏光
・膜厚：３μｍ
・測定温度：室温
・記録消去：右まわり円偏光；光強度１７５０ｍW/ｃｍ2
測定結果を図１４(a)および（ｂ）に示す。図に示されるように、書き込み・消去は良好に繰り返すことが可能であった。
【００３９】
（１２）膜厚依存性
・書き込み光：右まわり円偏光−右まわり円偏光の２光束；光強度４５０ｍW/ｃｍ2
・読み出し光：右まわり円偏光
・膜厚：０．４、０．６、０．８、１．０、１．５、２．０、２．５、３.０μｍ
・測定温度：室温
・書き込み入射角度（格子周期）：７°（２μｍ）
回折効率と膜厚の関係を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）は書き込み光を照射する前に１光束の円偏光を照射した後、２光束で回折格子を書き込んだ場合における、回折効率と膜厚の関係を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明方法によれば、回折効率が高く、角度依存性のないホログラムを薄膜を用いて作製しうる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例においてホログラム形成に用いた光学系を示す。
【図２】（a）〜（ｄ）は書き込み光の光強度依存性を示すグラフである。
【図３】読み出し光の偏光依存性を示すグラフである。
【図４】（a）および（ｂ）は読み出し光の偏光依存性を示すグラフである。
【図５】回折格子に対する読み出し光の角度依存性を示すグラフである。
【図６】（a）および（ｂ）は書き込み光の薄膜に対する角度αおよび格子に対する読み出し光の角度βを示す図である。
【図７】（a）〜（ｇ）は回折格子に対する格子周期依存性を示すグラフである。
【図８】（a）〜（e）は回折格子に対する温度依存性を示すグラフである。
【図９】回折格子のラビング方向依存性を示す図である。
【図１０】（a）は回折効率と時間、（ｂ）は回折効率と膜厚の関係を示すグラフである。
【図１１】書き込み光と同一方向の円偏光での記録消去を示すグラフである。
【図１２】書き込み光と反対方向の円偏光での記録消去を示すグラフである。
【図１３】（a）および（ｂ）は書き込み−消去スイッチング挙動を示すグラフである。
【図１４】（a）および（ｂ）は書き込み−消去スイッチング挙動を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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